Bioenergética e Metabolismo

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INTRODUÇÃO E PRINCÍPIOS
ÍNDICE 
 Funções do metabolismo 
 Catabolismo e anabolismo 
 Energia e trabalho 
 Primeira lei da termodinâmica 
 Entropia e energia livre 
 Segunda lei da termodinâmica 
 Sistemas 
 Energia livre: reações endergônicas e 
exergônicas 
 Reações acopladas 
 Compostos ricos em energia 
METABOLISMO 
 Conjunto de transformações químicas que 
ocorrem em uma célula ou organismo. 
 Desempenha algumas funções básicas: 
 Obtém energia química do ambiente, 
capturando energia solar ou degradação 
de nutrientes ricos em energia. 
 Converte moléculas de nutrientes 
exógenas em moléculas características 
do próprio organismo, moléculas 
endógenas. 
 Polimerizar precursores monoméricos 
em produtos poliméricos (proteínas, 
ácidos nucleicos, lipídios, 
polissacarídeos). 
 Sintetizar e degradar biomoléculas 
requeridas em funções celulares 
especializadas. Processo estacionário e 
dinâmico. 
 É controlado por estímulos 
externos e hormonais. 
 O metabolismo pode ser dividido em duas fases: 
catabolismo e nabolismo. 
 
CATABOLISMO E ANABOLISMO 
 Vias metabólicas. 
 Os metabólitos agem como sinalizadores, 
ajudando a controlar a via metabólica. 
 As coenzimas (NAD, NADP e FAD) são 
transportadores de elétrons. 
CATABOLISMO 
 Catabolismo é a fase onde as moléculas 
complexas são degradadas em produtos mais 
simples. As vias catabólicas liberam energia que 
podem ser conservadas através da síntese de 
ATP ou liberada na forma de calor. 
 As moléculas complexas são 
provenientes da alimentação ou das 
reservas do organismo, são elas: 
carboidratos, lipídios e proteínas. 
 Transformação de energia sempre há 
perda de calor. 
 Confere um conjunto de reações que convertem 
energia para formas assimiláveis. 
 Os metabólitos complexos são inicialmente 
degradados até suas unidades monoméricas 
(glicose, aminoácidos, ácidos graxos) e depois ao 
intermediário comum a todos, o acetil-CoA. 
 O acetil-CoA é oxidado a Co2 através do ciclo do 
ácido cítrico juntamente com a redução de NAD e 
FAD. 
 A oxidação do NADH e do FADH2 acontece 
através dos componentes da cadeia 
transportadora de elétrons, tendo o 02 como 
aceptor final de elétrons. 
 Fosforilação oxidativa: síntese de ATP a partir de 
ADP e Pi. 
 O catabolismo também pode gerar moléculas que 
não estão 100% degradadas. 
ANABOLISMO 
 As biomoléculas são sintetizadas a partir de 
componentes mais simples. 
 O anabolismo confere a um conjunto de reações 
que utilizam energia para síntese de compostos 
complexos. 
 Moléculas mais simples junto com o ATP e o 
poder redutor dão origem as macromoléculas 
celulares (proteínas, polissacarídeos, lipídios e 
ácidos nucleicos), que são diferentes daqueles 
adquiridos através da alimentação. 
 
TERMODINÂMICA 
 Trata das mudanças energéticas 
COMO OS ORGANISMOS OBTÉM ENERGIA PARA 
MANTER O ESTADO VITAL? 
 Os organismos necessitam continuamente de 
energia para se manterem vivos e 
desempenharem suas funções biológicas. 
 Todos os organismos vivos derivam sua energia 
da energia solar (direta ou indiretamente). 
 Os organismos trocam energia e matéria através 
do meio ambiente. 
PORQUE OS ORGANISMOS PRECISAM DE 
ENERGIA? 
 Manutenção da vida 
 Crescimento 
 Reprodução 
 Trabalho químico: síntese dos componentes 
celulares 
 Trabalho osmótico: acumulo e retenção de sais e 
outros compostos contra gradiente de 
concentração. 
 Trabalho mecânico: contração muscular e 
movimento de flagelos. 
SISTEMA X VIZINHANÇA 
 Sistema reagente: conjunto de matéria sofrendo 
um processo físico ou químico particular 
 Organismo, célula, dois compostos 
reagentes 
 Universo: sistema reagente e seu meio ambiente 
 A energia é necessária para manter o universo 
funcionando. 
 A ordem interna do ser vivo se mantem devido ao 
fato de que o mesmo está devolvendo a energia 
externa do ambiente de maneira desorganizada. 
ÁTOMOS E MOLÉCULAS 
 Energia cinética de movimento, energia de 
vibração e energia de rotação. 
 Energia contida nas ligações químicas entre os 
átomos e energia de interação não covalente. 
TIPOS DE SISTEMA 
 Sistema isolado: não troca matéria nem energia 
com o meio 
 Sistema fechado: trovam apenas energia com o 
meio 
 Sistema aberto: troca energia e matéria com o 
meio 
 Um sistema pode trocar energia com o ambiente 
mudando sua energia interna, transferindo calor 
ou realizando trabalho. 
 Os seres vivos são sistemas aberta, trocando 
continuamente matéria e energia com seu meio. 
 
FORMAS DE ENERGIA 
 Podem ser: mecânica, elétrica, química, calorifica, 
luminosa 
 Os seres estão constantemente transformando 
uma forma de energia em outra. 
 Ex.: energia química  energia 
mecânica 
 Lavoisier observou que havia uma relação entre 
a combustão da matéria orgânica com a 
manutenção da vida. 
 A respiração é uma lenta combustão de 
matéria orgânica utilizando oxigênio. 
 Animais que respiram são nada mais do 
que corpos combustíveis. 
 Os seres vivos são transformadores de energia. 
 As transformações de energia biológica 
obedecem às mesmas leis físicas que 
determinados processos naturais. 
LEIS DA TERMODINÂMICA 
1° LEI – PRINCIPIO DA CONSERVAÇÃO DE 
ENERGIA 
 Energia não pode ser criada ou destruída, apenas 
transformada. 
 A quantidade total de energia no universo 
permanece constante. 
 O fluxo de energia acontece através de conjunto 
de reações químicas liberadoras ou 
consumidoras de energia. 
 Por que algumas reações ocorrem 
espontaneamente e outras necessitam de 
energia? 
 Algumas reações ocorrem de maneira 
espontânea porque no próprio sistema 
já contém energia de ativação; já as 
reações que não acontecem 
espontaneamente, é necessário que haja 
o fornecimento de energia para que os 
reagentes atinjam a energia de ativação. 
 As transformações são espontâneas para 
converter matéria de forma mais ordenada e 
menos estável para uma forma menos ordenada 
e mais estável. 
 Mais ordenada, menos estável  Menos 
ordenada, mais estável. 
 A energia dos reagentes vem a partir da 
transformação de energia livre ou da radiação 
solar, pelas células, em ATP e outros compostos 
ricos em energia. 
 
2° LEI – TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA 
 Em todos os processos naturais, a entropia do 
universo aumenta. 
 Todas as transformações físicas ou químicas têm 
sua energia útil sofrendo degradações 
irrevessveis para uma forma desordenada 
(entropia) 
 Entropia: energia em estado de desordem 
distribuída ao acaso  energia inútil. 
 A entropia também é um estado ou condição da 
matéria. 
 A variação de entropia é a diferença do estado 
final e do estado inicial de entropia. 
 ∆S = Sf - Si 
BIOENERGÉTICA 
 Estudo quantitativo das transformações de 
energia que ocorrem nas células vivas 
 Mecanismos pelos quais a energia dos alimentos 
ou da captura da energia solar é acoplada às 
reações que requerem energia. 
 A energia livre disponível para a célula é a 
energia de Gibbs 
 Energia de Gibbs: energia útil que prediz a 
direção da reação e a quantidade de trabalho. É 
sempre menor do que a energia teoricamente 
liberada. 
 Uma parte da energia é dissipada como 
calor ou perdida, para aumentar a 
entropia. 
TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA 
 Energia livre de Gibbs (G°): quantidade de 
energia capaz de realizar trabalho durante uma 
reação à uma temperatura e pressão constantes. 
 Cada composto possui um determinado 
valor energético. 
 Variação de energia livre (∆𝑮 ): variação de 
energia que ocorre enquanto o sistema se move 
de seu estado inicial para o equilíbrio, com 
pressão e temperatura constantes. 
 G° produtos – G° reagentes) 
 Reações espontâneas: reações exergônicas 
(liberam energia livre), onde os produtos 
possuem menos energia do que os reagentes. 
 ∆𝐺 negativo. 
 Reações não espontâneas:reações 
endergônicas (requerem energia), onde os 
produtos possuem mais energia do que os 
reagentes. 
 ∆𝐺 positivo. 
ENERGIA LIVRE DE GIBBS 
 
Energia que produz trabalho = energia total – energia 
inaproveitável 
 Energia livre (G): energia capaz de realizar 
trabalho durante uma reação a temperatura e 
pressão constante. 
 Se a reação libera energia livre, ∆𝐺 é 
negativo (exergônico). 
 Se a reação ganha energia livre, ∆𝐺 é 
positivo (endergônico). 
 Entalpia (H): conteudo de calor de um sistema, 
que reflete o número e o tipo de ligações nos 
reagentes e produtos. 
 Quando H reagente > H produto, o ∆𝐻 é 
negativo (exotérmico). 
 Quando H reagente < H produto, o ∆𝐻 é 
positivo (endotérmico). 
 Entropia (S): quantitativa para desordem e caos. 
 Produtos menos complexos e mais 
desordenados = ganho de entropia, o ∆𝑆 
é positivo. 
 Temos então: 
 ∆𝐻 < 0 = diminui entalpia. 
 ∆𝑆 > 0 = aumenta entropia. 
 
 A energia de Gibbs rege a segunda lei da 
termodinâmica. 
ENERGIA LIVRE E CONCENTRAÇÃO DAS 
SUBSTÂNCIAS 
 A energia total do sistema é um somatório das 
energias parciais molares ou dos potenciais 
químicos dos componentes. 
 Considere a reação química reversível, em equilíbrio: 
 
 A relação entre a energia livre e a energia padrão: 
 
 Independentemente das concentrações de A, B, C 
e D, quando a reação está em equilíbrio (∆𝐺 ), 
temos: 
 
 K = constante de equilíbrio. 
 Quando a velocidade de formação dos 
produtos é igual a velocidade de 
formação dos reagentes. 
 Quando há o equilíbrio v+ = v-: 
 
K’eq ∆𝑮 Direção com 
1M de R e P 
>1.0 
Negativo Adiante 
= 1.0 Zero Equilibrio 
< 1.0 Positivo Reverso 
 Cada reação possui uma variação de energia livre 
caracteristica, podendo ser positiva, negativa ou 
zero, e isso depende da constante de equilibrio. 
 Na célula, a variação de energia livre depende das 
concentrações dos reagente, concentração dos 
produtos e da temperatura. 
 Concentração: nunca são 1M de cada um. 
 Temperatura: 37°C 
 A variação de energia livre nas célula é regida por 
∆𝐺′. 
 
Onde: 
 
COMPOSTOS RICOS EM ENERGIA 
 Compostos capazes de doar energia para 
diversas reações metabólicas ou transferir 
grupos fosfatos para outras moléculas. 
 São considerados compostos de alta energia: 
 Compostos fosforilados. 
 Compostos com ligações tioéster. 
 Coenzimas reduzidas. 
 O mais importante composto é a ATP. 
 
REAÇÕES ACOPLADAS 
 A energia liberada em uma reação é utilizada em 
uma outra reação que necessite de energia para 
ocorrer. 
 Nas vias metabólicas, gastamos energia 
para que outras etapas que forneçam 
energia cubram esse gasto inicial, e 
ainda liberando energia para outras 
funções metabólicas. 
 Acoplamento de reações endergônicas com 
reações exergônicas. 
 Acontece no transporte transmembrana, 
transmissão de impulsos nervosos e na 
contração muscular. 
 Exemplo: 
 
 A primeira reação precisa de energia 
para acontecer (reação endergônica), já 
a segunda reação libera energia 
(exergônica). 
 Uma reação acoplada nada mais é do que 
a soma das reações. Tendo assim: 
 
 As reações biológicas são acopladas a partir de 
um intermediário compartilhado. 
 
ATP 
 
 1 Adenosina + 3 Fosfatos. 
 É o principal acoplador entre reações 
endergônicas e exergônicas, nas células vivas. 
 Maior transportador de energia química nos 
sistemas biológicos. 
 De onde vem a ATP: alimentação  nutrientes  
energia  ATP. 
FUNÇÕES 
 Síntese de biomoléculas. 
 Transporte ativo. 
 Contração muscular e locomoção. 
 Neurotransmissão. 
 Bioluminescência. 
FORMAS DE PRODUÇÃO DE ATP 
1. Fosfocreatina (Reação da creatina cinase): 
 
2. Via anaeróbica lática ou glicolítica: 
 
3. Via oxidativa ou aeróbica: 
 
4. Reação de adenilato cinase: